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1 实验部分1.1 试剂或材料 蔗糖（品牌：阿拉丁，分子量：342.3）；4种不同浓度的蔗糖溶液（分别为1.5×10⁻⁵ g·mL⁻¹、2×10⁻⁵ g·mL⁻¹、2.5×10⁻⁵ g·mL⁻¹、3×10⁻⁵ g·mL⁻¹），去离子水（自制）。 1.2 仪器和表征方法仪器：U型管1支，烧杯1个，超声波测距传感器模块（华毅智能工控，直头线/485/1000mm，型号：RS485HY400P4C）及配套硬件，直流电源1个，容量瓶4个，玻璃棒1支，移液管1支，铁架台，量筒2个（容量分别为50 mL、100 mL），U型管1支（一端封闭），恒温水浴锅1个，水槽1个，酒精温度计1支，冰袋或冰块。 1.3 实验步骤1.3.1 渗透压测定分子量实验分别称取0.015 g、0.020 g、0.025 g、0.030 g的蔗糖，利用100 mL容量瓶，定容配制4组实验溶液，使用时再稀释，使溶液浓度降至原来的1/10。将一组适量实验溶液加入到U型管左侧，右侧加入同高度等体积的蒸馏水，使用移液管调节U型管两端液面齐平。把U型管放入水浴锅中，将水浴锅温度设定为25 ℃，待恒温一段时间，U形管两侧出现液面差时，让程序发送指令，使传感器分别读取3次U形管左侧、右侧管口到液面的距离。（记录测距时的温度）利用自编软件，记录实验数据，取平均值，计算液面差，求出渗透压。重复进行4组不同浓度实验溶液渗透压的测量计算。使用Excel对数据进行二次处理，代入范特霍夫公式，求出实验用品的分子量。实验装置如图1（a）所示。 1.3.2 水溶液饱和蒸汽压测定实验在U型管中加入一定量的水溶液，使U型管封闭3～5 cm长的空气柱。把U型管放入装满冰袋或冰块的水槽中，调节水槽的温度至0～5 ℃。保冷一段时间后，使用移液管调节U型管两端液面齐平，记录空气柱长度。把U型管放入水浴锅中，将水浴锅温度设定为80 ℃，待恒温一段时间后，用移液管调节液面持平。使用qt程序发送指令，让超声波传感器读取传感器与液面之间的距离。从75 ℃开始，每隔2 ℃调节液面持平。让程序发送指令，使传感器读取一次距离，直至50 ℃，记录测距时的温度。运行Python程序，一次性输入所有记录的温度，直接输出水的饱和蒸汽压数据。设定图像上下限数值，生成图像。使用Origin对数据进行二次处理。实验装置如图1（b）所示。 1.4 实验原理1.4.1 渗透压测定分子量的实验原理纯溶剂和溶液被只能透过溶剂的半透膜隔开，纯溶剂侧的溶剂分子自发渗透进入溶液侧，这种溶剂的净流入会导致溶液侧的体积增加、液面上升，溶液侧液面上升产生的静液压会反过来阻碍溶剂分子的进一步流入。当溶液侧施加的额外静液压恰好抵消了纯溶剂与溶液之间的化学势差时，溶剂通过膜的净流动停止，系统达到渗透平衡。根据范特霍夫公式等可以推导出溶质摩尔分数M的计算公式： M=Π×m×R×Ti×VM=i×VΠ×m×R×T 式中，ΠΠ为渗透压，Pa；i为范特霍夫因子；m为溶质的质量，g；R为理想气体常数，J·kg⁻¹·K⁻¹；T为绝对温度，K；V为溶液的体积，m³；M在数值上等于分子量，g·mol⁻¹。 1.4.2 水溶液饱和蒸汽压测定原理一定量的空气封闭于U型管的一端。封闭段的气柱中水蒸汽饱和，水蒸气的量随温度变化，而空气的量不变。假设在5 ℃时，水蒸气的气压值可以忽略，使用移液管调节两端液面齐平，再根据理想气体状态方程等，可以推导出不同温度T下水的饱和蒸汽压P水蒸气： P水蒸气=Px=Px/TH1(Δn+h1)/T0P水蒸气=Px=(Δn+h1)/T0Px/TH1 式中，P大气为大气压强，Pa；T₀为278 K；h₁是T₀时测得的封闭段的气柱高度（等于开口端液面至管口距离），m；Δh为T时U型管开口端的液面升高值。将各温度下水的饱和蒸汽压代入克劳修斯-克拉贝龙方程，可以计算出50～80 ℃范围内水的平均摩尔气化热ΔvapHₘ*。
2 结果与讨论2.1 水溶液饱和蒸汽压测定实验结果通过Python程序处理txt数据，通过输入实验记录温度和图像的上下限，输出处理好的数据和生成的图像。从图2可以看出，在323～348 K范围内，水的饱和蒸汽压与温度近似成正比。通过Origin二次处理数据，并进行线性拟合，求得相关系数为-0.99862，说明拟合直线的线性相关性较好。由线性相关图的斜率可以计算得到在323～348 K范围内水的平均摩尔气化热ΔvapHₘ* = 42.45 kJ·mol⁻¹。计算得到的水的平均摩尔气化热的相对误差为1.53%，符合实验允许的误差要求，说明程序设计合理可行，超声波测距精确度高。 2.2 蔗糖分子量测定实验结果通过编好的软件将实验数据导入txt文件内，通过超声波测距准确测量出液面高度差，根据公式（1），运用写好的Python程序计算出实验用品（蔗糖）的分子量，4种不同质量的溶质的平均分子量为342.40，与蔗糖分子量342.30相比，相对误差极小，约为0.03%，表明超声波测距改进实验精度高。传统毛细管法依赖人眼通过放大镜或测高仪读取细窄毛细管内的弯月面位置，存在明显的视差和主观误差。改进实验的超声波测距为电子测量，能有效消除视差和读数误差。 如图3所示，将浓度与分子量的关系制作成散点图，并标出蔗糖分子量的理论值，更直观地体现通过传感器测得高度差从而求到的实际分子量的准确性。4个浓度计算出来的实际分子量均在理论分子量的上下浮动，符合实验允许的误差范围，充分说明将超声波测距传感器应用于改进物理化学实验中与测量距离相关实验的可行性，为后续扩大超声波测距传感器的应用提供理论与实验基础。 3 结语 通过探索性研究，验证了利用超声波测距传感器优化经典物理化学实验中距离测定环节的可行性，实现了操作的便利性和实验数据的高精度。研究聚焦于两个代表性的物理化学实验：蔗糖分子量测定实验和水溶液饱和蒸汽压测定实验。综合上述两个实验案例，超声波测距技术在物理化学实验中的应用表现出良好的便利性和可靠性。其核心优势在于能够以高分辨率和高频率捕捉传统方法难以精确感知的微小物理量变化，如液面毫米级甚至亚毫米级的变动。通过减少人为读数误差、实现数据的客观和连续采集，该技术不仅提升了实验结果的准确性，也为动态过程的精细研究提供了有力工具。这种改进对于依赖精确测量依数性或微小压力变化的物理化学实验尤为重要。 参考文献： [1]韩秀梅,李金生,杨连威,等.利用超声波测距传感器改进物理化学距离测定实验[J]. 特别提醒：超声波专业交流群欢迎超声波行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！
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发表于 2026-5-1 07:07:12